基于光流的微小型飞行器室内避障方法研究

发布时间：2017-04-09 02:26

  本文关键词：基于光流的微小型飞行器室内避障方法研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：室内环境中无人机自主避障飞行具备很高的应用价值,但完全自治的无人机室内复杂场景的自主避障飞行一直没有实现。细小的昆虫能够利用光流信息进行觅食、起飞、降落、避障和狭缝飞行等行为,受昆虫灵感启发,光流避障逐渐受研究人员所关注。光流避障技术的研究对微小型无人机智能化程度的提高具有指导意义。目前,光流避障方式较为单一,常以平衡左右或上下两侧光流来实现避障,维持与某侧光流或距离不变来实现Wall Following等行为。但在实际复杂场景中,这种避障方式会导致方向的频繁变化,长时间处于旋转运动中的旋转光流对后续光流分析影响较大,进而影响到避障精确性。因此,本文从优化避障方式出发,研究了以下三个方面的内容:1.提出一种基于五点约束的鲁棒光流法。通过优化置信点选取方式,采用全局与局部相结合的五点约束光流计算方法进行光流计算,扩展了Barron光流测试指标进行评估,实验表明本方法可以提高光流计算的准确性和实时性。2.提出一种高度不变时微小型飞行器(Micro Air Vehicle,MAV)室内避障飞行的方法。提出对视场分栏,以每栏中的光流信息、TTC(Time to Collision)信息和目标偏差信息的加权求和作为相应栏的航向偏转倾向度,取倾向度最高的视觉栏为飞行方向,以TTC值大小来触发无人机避障行为的避障方法。这种避障方式,有效解决光流噪声点影响的同时还能减轻光流避障对环境纹理的依赖程度,速度变化频率较低,因此减少了旋转光流对避障的影响。3.研究了高度变化时MAV室内避障方法。给出三种高度控制方式:选择安全方向飞行、维持高度恒定、维持光流恒定。仿真验证了这三种高度控制方式的有效性,并对其特点分别进行分析。其中,安全方向飞行的方法仅需一个摄像头但高度变化较明显,维持高度不变的方式较为简单但易受深度图的计算准确程度的影响,在环境纹理丰富和光照不变的条件下维持光流不变的方式对高度控制效果最好。
【关键词】：室内环境 MAV 光流 自主避障 高度控制
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：V279
【目录】：

• 摘要5-6
• abstract6-12
• 第一章 绪论12-19
• 1.1 研究背景及意义12-15
• 1.1.1 光流法的研究背景及意义12-13
• 1.1.2 基于光流的无人机自主避障技术的研究背景及意义13-15
• 1.2 研究现状及发展态势15-17
• 1.2.1 光流法的研究现状及发展态势15-16
• 1.2.2 基于光流的无人机自主避障技术的研究现状及发展态势16-17
• 1.3 本文主要工作及内容安排17-19
• 第二章 光流场基本理论与运动分析19-25
• 2.1 引言19
• 2.2 运动场与光流场19-20
• 2.3 光流基本理论20-22
• 2.3.1 光流约束方程20-21
• 2.3.2 孔径问题21-22
• 2.3.3 影响光流场计算质量的因素22
• 2.4 经典光流计算方法22-24
• 2.4.1 HS方法22-24
• 2.4.2 LK方法24
• 2.5 本章小结24-25
• 第三章 基于五点约束的光流计算方法及评价25-40
• 3.1 引言25
• 3.2 五个置信点选取方法25-28
• 3.2.1 传统的五个置信点选取方法26
• 3.2.2 鲁棒置信点选取方法26-27
• 3.2.3 两种方法的物理意义对比27-28
• 3.3 改进的五点光流约束法28-31
• 3.3.1 置信点权值选择28-29
• 3.3.2 五点约束的全局光流算法29-31
• 3.4 光流评价31-36
• 3.4.1 光流场评价指标31-32
• 3.4.2 光流场显示方案32-34
• 3.4.3 光流场测试图34-36
• 3.5 仿真结果及其分析36-39
• 3.6 本章小结39-40
• 第四章 高度不变时的飞行器室内避障方法研究40-57
• 4.1 引言40
• 4.2 问题描述40-42
• 4.2.1 FOE的计算41
• 4.2.2 TTC的计算41-42
• 4.3 避障策略42-46
• 4.3.1 场景分栏42
• 4.3.2 避障控制输入42-44
• 4.3.3 航向选择44-45
• 4.3.4 避障控制方案45-46
• 4.4 仿真结果及分析46-56
• 4.5 本章小结56-57
• 第五章 高度变化时的飞行器室内避障方法研究57-76
• 5.1 引言57-58
• 5.2 问题描述58-59
• 5.2.1 相机模型58
• 5.2.2 光流与高度间的关系58-59
• 5.3 高度控制方案59-65
• 5.3.1 安全方向飞行的高度控制方案60-61
• 5.3.2 维持高度恒定的高度控制方案61-64
• 5.3.3 维持光流恒定的高度控制方案64-65
• 5.4 仿真结果及分析65-75
• 5.4.1 安全方向飞行的高度控制方案仿真65-69
• 5.4.2 维持高度恒定的高度控制方案仿真69-72
• 5.4.3 维持光流恒定的高度控制方案仿真72-75
• 5.5 本章小结75-76
• 第六章 总结和展望76-78
• 6.1 全文总结76-77
• 6.2 未来工作展望77-78
• 致谢78-79
• 参考文献79-85
• 攻硕期间取得的研究成果85-86

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本文编号：294261